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钝体出水过程的空泡流数值研究

作　者: 张露颖
导　师: 符松
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 空化模型 出水过程 气泡动力学 空泡溃灭
分类号: O359.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文深入研究气泡动力学在空化模拟中的应用,参考现有空化机理研究和实验结果,对现有的空化模型进行考察。在此基础上对Singhal完全空化模型进行改进,在求解完整的Rayleigh-Plesset方程的基础上构造空化源项,以考虑空化气核发展的历史效应和非定常特性。使空化模型可以模拟剧烈变化的非定常流场,例如空泡溃灭过程等。本文应用改进模型,结合基于压力的全速算法对不同头型钝体绕流过程中的空化现象进行了数值模拟。分别计算了平头钝体,半球头钝体和锥头钝体三种情况。计算的压力系数分布与实验结果和已有研究的计算结果进行了比较,改进效果良好,验证了模型的有效性。该模型可以比较准确的捕捉空化区的位置,形态以及压力变化。同时分析了不同头型空化现象的区别,讨论了外形对空化区以及模型改进效果的影响。通过数值模拟,给出了半球头钝体和锥头钝体在一定水深重力梯度作用下的空化绕流流场,与无重力流场计算结果比较,分析了环境压力和重力对空化区的影响。得到结论认为较高的环境压力可以抑制空化的形成,而重力的作用导致空化区的不稳定。计算中捕捉到了该非定常过程中的气泡脱落和压力震荡现象,说明发展的空化模型可以应用于类似现象的模拟。同时结合界面捕捉算法,将运动界面捕捉和空化流场计算结合起来。计算了半球头钝体和锥头钝体出水流场空化区形态变化和压力分布,分析了空化泡的溃灭过程和产生的压力震荡特性。该过程体现了自由界面与空化区的相互作用,这种作用导致局部空泡发生溃灭,进而引起一系列随机的瞬时压力脉冲。计算中捕捉到的瞬时压力脉冲量级达100bar,与部分实验和计算结论进行比较,证实该结果具有一定合理性。同时也探讨了该模型的适用性和发展方向,提出结合能量方程求解,考虑温度变化的计算框架。该框架仍使用基于压力的算法,不耦合求解能量方程,而是在现有的流场求解基础上单独求解能量方程。在此基础上应用工业标准的水和蒸气热力学关系式计算温度。进而修正空化计算中与压力相关的各项参数,以此体现温度的影响。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-8
第1章 引言  8-13
  1.1 空化现象概述  8-10
    1.1.1 空化现象的背景及意义  8-9
    1.1.2 空化研究的关键问题  9-10
  1.2 本文研究的主要内容和主要贡献  10-13
    1.2.1 本文的研究目的  10-11
    1.2.2 内容框架  11-12
    1.2.3 本文主要贡献  12-13
第2章 相关工作  13-27
  2.1 对空化现象的理论研究  13-19
    2.1.1 空化机理研究  13-14
    2.1.2 气泡动力学  14-17
    2.1.3 影响空化的其它若干因素  17-19
  2.2 对空化现象的实验研究  19-21
    2.2.1 空化气核实验研究  19-20
    2.2.2 水下航行体空泡绕流实验研究  20-21
  2.3 对空化现象的数值模拟  21-26
    2.3.1 界面捕捉  21-22
    2.3.2 均一平衡介质  22-24
    2.3.3 基于压力的全速算法  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章 空化模型研究  27-42
  3.1 本章引论  27
  3.2 完全空化模型  27-31
    3.2.1 模型概述  27-29
    3.2.2 计算结果  29-30
    3.2.3 适用性和缺陷  30-31
  3.3 改进的空化模型  31-34
    3.3.1 完整的Rayleigh-Plesset求解  31-32
    3.3.2 空化源项改写  32-33
    3.3.3 初始条件讨论  33
    3.3.4 经验参数的选取  33-34
  3.4 改进模型的验证  34-39
    3.4.1 不同头型钝体绕流现象模拟  34-36
    3.4.2 网格无关性  36-37
    3.4.3 与原始模型对比  37-39
  3.5 模型的结论和意义  39
  3.6 相关问题讨论  39-42
    3.6.1 模型的适用性  39-40
    3.6.2 发展方向  40-42
第4章 数值算法  42-54
  4.1 本章引论  42
  4.2 方程离散  42-47
    4.2.1 控制方程  42-45
    4.2.2 对流项离散  45-46
    4.2.3 扩散项离散  46
    4.2.4 时间导数项和源项离散  46-47
    4.2.5 最终离散形式  47
  4.3 动量插值  47-51
  4.4 基于空化的全速算法  51-53
  4.5 方程求解  53-54
第5章 算例及计算结果分析  54-67
  5.1 本章引论  54
  5.2 重力水深作用下计算结果  54-60
    5.2.1 45°锥头钝体在5m 水深重力场下的计算结果  55-58
    5.2.2 半球头钝体在5m 水深重力场下的计算结果  58-60
  5.3 钝体空化出水计算结果  60-67
    5.3.1 45°锥头钝体出水计算结果  60-63
    5.3.2 半球头钝体出水计算结果  63-67
第6章 结论  67-68
参考文献  68-72
个人简历  72

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学 > 多相流 > 液、气（汽）二相流
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